Análisis: Cómo se determina la longitud del cañón de un arma 5.56mm

Estudios de longitud del cañón en armas de la OTAN de 5,56 mm

por Jason M. Wong || Small Arms Defense Journal, V4N1 , Volumen 4

A medida que se registraba cada conjunto de mediciones, el cañón se acortaba (y se volvía a coronar) una pulgada a la vez y el sensor de presión se movía a la ubicación más lejana resultante. En esta foto, el cañón se ha acortado a veinte centímetros.

Ha habido un cambio cultural desde el cañón de 20 pulgadas de longitud en los sistemas de armas AR-15/M16 con recámara para el cartucho OTAN de 5,56 × 45 a cañones progresivamente más cortos con el fin de producir un arma de asalto/entrada cada vez más compacta sin recurrir a un diseño bull-pup. El simple uso de estas armas de cañón corto ha demostrado la necesidad de suprimir tanto el sonido como el destello, cuya intensidad (en longitudes de cañón excepcionalmente cortas) se acercaba a la intensidad de un dispositivo de desvío de destello. Este cambio hacia cañones más cortos ha resultado en que el Ejército y el Cuerpo de Marines de EE. UU. adopten la carabina M4 con cañón de 14,5 pulgadas con un rediseño del 5,56 × 45 de la munición SS-109 de 55 granos a la munición M855 de 63 granos para optimizar la longitud de este cañón. . El diferente diseño de la bala también requirió un cambio en la velocidad de torsión del estriado del original de 1:12 pulgadas a 1:7 pulgadas.

Las fuerzas del orden y algunas unidades de operaciones especiales han continuado esta tendencia utilizando armas equipadas con cañones de 10,5 pulgadas, y existe cierto interés erróneo (en opinión de estos autores) en las armas tipo M16 que utilizan cañones de 7 pulgadas. Además de los horrendos niveles de destello y sonido, estas armas de cañón ultracorto introducen importantes problemas auxiliares, incluido el funcionamiento y la confiabilidad del arma, así como la estabilidad del proyectil y la letalidad del cartucho.

Uno de los autores mide habitualmente las presiones de la cámara de entrada en los silenciadores de su empresa para calcular factores de seguridad para diferentes longitudes de cañón estándar. Un soporte especial que sujeta el sensor piezoeléctrico Kistler 6215 se sujeta sobre el supresor donde se ha perforado un orificio de 2,5 mm a través de la pared del supresor. Se muestra un supresor de 5,56 mm en un M16 con cañón de 10,5 pulgadas en un soporte Lead-Sled.

En los últimos años, los diseñadores se han dado cuenta de las limitaciones de la integridad estructural de los supresores debido a las rápidas variaciones de presión en la cámara de entrada de sus supresores. La cámara de entrada se visualiza fácilmente como un cilindro simple que actúa como un recipiente a presión con un orificio en el otro extremo para controlar la tasa de disminución de presión. Con los disparos, la presión alcanza su punto máximo casi instantáneamente y cae literalmente en microsegundos. En este corto intervalo de tiempo se aplican muchas tensiones estructurales. El cañón de un arma de fuego también se puede visualizar como un recipiente a presión, pero de longitud variable a medida que la bala avanza a lo largo de su longitud.

La intuición ha pasado a la sólida práctica de ingeniería de medir realmente las presiones en las cámaras de entrada del supresor para calcular la tensión circular y, conociendo el límite elástico del material, el factor de seguridad. Si bien algunos de estos factores pueden aproximarse mediante cálculos, las mediciones reales son definitivas. Estas cuestiones son el tema de este artículo.

El sonido se genera por la liberación repentina de gases a alta presión en la boca del cañón en el momento de la salida de la bala, y para controlar (o reducir) adecuadamente el nivel de sonido, se debe diseñar un supresor para manejar esta presión. Lo que no ha sido inmediatamente evidente es la relación entre las presiones de la recámara de entrada del supresor y la presión residual en el ánima del arma de fuego en el instante de la salida de la bala y (por extensión) los problemas en el diseño del supresor. Con el análisis de elementos finitos para el diseño de supresores cada vez más frecuente, las presiones reales medidas proporcionarán información mucho más precisa y creíble que las presiones estimadas (o calculadas) a partir de las tablas de presión máxima de la cámara del SAAMI (Instituto de Fabricantes de Armas y Municiones Deportivas). Las presiones SAAMI se miden con dimensiones de recámara y municiones específicas, y no todas las recámaras coinciden exactamente con las recámaras SAAMI, especialmente las recámaras militares.

El sensor piezoeléctrico se muestra en su lugar en el cilindro de 24 pulgadas con una abrazadera en U de seguridad. El arma está montada en el soporte de la máquina, lista para realizar disparos de prueba.

La otra cuestión que se plantea es la de la energía cinética de la bala, que varía con el peso (masa) del proyectil y el cuadrado de la velocidad. Intuitivamente, se sabe que la velocidad variará con la longitud del cañón, pero la variación real no se puede determinar fácilmente a partir de una única medición de la longitud del cañón.

Los autores tienen serias preocupaciones sobre estas cuestiones de confiabilidad, función, letalidad y velocidad a medida que disminuye la longitud del cañón. Al examinar la velocidad de la bala, los niveles de sonido y la presión del calibre en función de la longitud del cañón, los autores esperaban correlacionar y determinar la longitud óptima del cañón en respuesta a las solicitudes actuales de sistemas de armas tipo M16 de cañón corto.

Junto al deseo de acortar los cañones está el requisito de reducir el peso de los accesorios, incluidos los silenciadores. Mientras que algunos supresores se rediseñan para utilizar aleaciones fuertes y livianas, otros simplemente reducen el peso adelgazando los elementos estructurales, incluido el espesor de la pared exterior.

La tensión circular es el nombre que se le da al cálculo de las fuerzas que intentan romper una cámara o un recipiente a presión. Un silenciador, especialmente la cámara de entrada, es un recipiente a presión que contiene los gases a presión durante un período de tiempo extremadamente corto. Las unidades de tensión circunferencial son unidades de presión (psi) y son proporcionales al diámetro y a la presión interna máxima máxima e inversamente proporcionales al espesor de la pared.

El sensor piezoeléctrico se enroscó en su adaptador, y el adaptador se enroscó en el último puerto del cañón para obtener una medición máxima de la presión del orificio justo cuando la bala salía del cañón (descorchando).

El factor de seguridad es la relación entre el límite elástico del material utilizado para el silenciador dividido por la tensión circunferencial. Con un factor de seguridad de 1, el 50% de las unidades fallarán. El requisito militar es un factor de seguridad de 2 o más, y la industria aeronáutica exige un factor de seguridad mínimo de 2,5. El factor de seguridad se reduce cuando se adelgaza la pared de un supresor, especialmente cuando se combina con un aumento del diámetro. El uso de materiales de bajo límite elástico, como los aceros inoxidables resistentes a la corrosión de la serie 300 predominantes, puede resultar en un producto inseguro, especialmente si se considera la degradación del límite elástico con las temperaturas elevadas de tan solo 100 disparos rápidos.

Además, dado que la presión máxima instantánea en la recámara de entrada de un supresor es proporcional a la presión en el ánima del rifle en el instante en que la bala sale (descorchada) de la boca, también se deduce que cuando se usa en armas de cañón corto con recámara Para el cartucho NATO de 5,56 × 45, las presiones en el supresor pueden exceder su integridad, lo que provoca fallas y posibles lesiones.

La alteración de la longitud del cañón afecta seriamente no sólo la confiabilidad del arma, sino también la velocidad del proyectil (incluida la energía cinética), los niveles de sonido no suprimidos y la intensidad del destello. Las armas de cañón corto accionadas por gas, de las cuales la plataforma AR-15/M4 es de interés, plantean errores de confiabilidad cada vez mayores a medida que disminuye la longitud del cañón. La razón principal es que a medida que se acorta el cañón, disminuye el tiempo de permanencia del proyectil en el orificio después de pasar el puerto de gas. Esto dificulta la sincronización y agregar accesorios de boca (como un supresor de sonido) causará serios problemas de confiabilidad, como ciclos más rápidos. La estabilidad giroscópica del proyectil depende de la velocidad de rotación, que está determinada por la torsión y la velocidad lineal. La inestabilidad provocará una desviación (y un bloqueo) inmediatamente después de descorchar, lo que puede dañar las piezas del supresor y provocar una trayectoria de bala impredecible.

La presión media de cinco disparos en el orificio en el momento del descorche de la bala se representa en función de la longitud del cañón. Es evidente que la presión aumenta exponencialmente al disminuir la longitud del cañón. Este rápido aumento de presión produce niveles de sonido significativamente más altos, así como destellos y tensión en el diseño del supresor. Los valores de 10,5 y 14,5 pulgadas se calcularon promediando las medidas adyacentes.

La velocidad máxima del proyectil M855 se produjo en un cañón de 20 pulgadas. Esto es de esperarse ya que el cartucho fue diseñado específicamente para esta longitud de cañón. La velocidad cae rápidamente a medida que disminuye la longitud del cañón, especialmente por debajo de 10 pulgadas, donde la velocidad cae por debajo de 2500 fps. Las balas M855 que viajan por debajo de 2500 fps al impactar en un objetivo no producirán un canal de herida letal.

Ha habido una serie de estudios que demuestran el gradiente de temperatura externa del cañón en función de la longitud del cañón, además de numerosos estudios de la velocidad de salida en función de la longitud. Los autores no están familiarizados con los estudios que relacionan la longitud con las presiones de orificio medidas (en lugar de calculadas), especialmente las presiones de los puertos en el instante de la salida de la bala (descorchado).

Configuración del experimento
El experimento consistió en medir la presión del orificio en el momento en que la bala se descorcha del estriado para varias longitudes de cañón. Es de conocimiento común que las presiones reales de los puertos piezoeléctricos de lectura directa son mucho más precisas que las mediciones con galgas extensométricas, especialmente porque las mediciones de presión se desean solo en el extremo del cilindro. Una vez calibrado un sensor piezoeléctrico, se puede utilizar en muchos lugares. Por el contrario, se debe recalibrar una galga extensométrica para cada lugar de medición.

Se obtuvo y preparó para la prueba un cañón AR-15 de 24 pulgadas (giro 1:7). El cañón utilizado carecía de puerto de gas para accionar el mecanismo, lo que daba como resultado un arma de un solo disparo. Esto se hizo para evitar inconsistencias causadas por el uso de parte de la presión del gas para operar la acción. El cañón estaba marcado por un corte parcial a intervalos de 1 pulgada que comenzaba en el extremo más alejado y terminaba a 5 pulgadas de la cara del cerrojo. Para mantener la coherencia, la munición utilizada fue toda la bala militar M855, Lake City 2009 y todas del mismo lote. Además, para garantizar la coherencia, la munición se almacenó en una hielera hasta que se cargó y disparó.

 

Por curiosidad (en un cañón separado), se realizaron mediciones de la presión del orificio en un puerto perforado a tres pulgadas de la cara del perno. La presión de perforación en este punto excedía los 55.000 psi.

Se perforó un puerto de 2,5 mm a 1/2 pulgada de la boca y se enroscó para aceptar un sensor de presión piezoeléctrico de medición directa Kistler 6215 en un adaptador corto. Se midieron cinco cuerdas de disparo utilizando un amplificador de carga Kistler 5015 y se promediaron los resultados. Dado que el medidor registra la presión máxima más alta a la que está expuesto, el único pico que verá es cuando la bala está a menos de 1/2 pulgada de la boca, y esto representará la presión del orificio en el momento de descorchar la bala. En cada uno de los cinco disparos en la cuerda, se realizaron mediciones de velocidad a cinco pies de la boca del cañón y se registraron los niveles absolutos de presión sonora utilizando un medidor de nivel de presión sonora Larson-Davis 800B en la ubicación de referencia y el protocolo especificado en Mil-Std 1474D (1 metro a la izquierda de la boca del cañón, 90 grados con respecto al eje del orificio). El arma se mantuvo en un soporte para máquina para mantener la coherencia.

Luego, el cañón se acortó una pulgada a la vez perforando un nuevo puerto de presión a 1/2 pulgada de la nueva boca y el sensor piezoeléctrico se movió a la nueva ubicación. Se repitieron las mediciones anteriores y así sucesivamente. La última serie de mediciones se realizó cuando el cañón tenía 5 pulgadas de largo.

Para satisfacer la curiosidad, en otro cañón, se colocó un puerto a 3 pulgadas de la cara del perno y se midieron y promediaron las presiones del puerto en una muestra de 15 balas.

Datos y análisis
Las mediciones para longitudes de barril de 24 a 5 pulgadas mostraron que la presión en el barril en el momento del descorche variaba de 4,800 psi para el barril de 24 pulgadas a más de 25,000 psi para el barril de 5 pulgadas. Esto se representa en el Gráfico 1 y se resume en la Tabla 1. Trazar el logaritmo de la presión de descorche frente a la longitud del cañón produce un gráfico relativamente recto, que indica que la presión aumenta exponencialmente con el acortamiento del cañón.

Todos los datos (velocidad, presión máxima de perforación en el puerto y nivel de presión sonora) se registraron para cada disparo y se calculó el promedio de los cinco disparos para cada parámetro de medición. Se muestra al Dr. Philip Dater, uno de los coautores, como escriba.

La presión que medimos en el puerto a tres pulgadas de la cara del perno fue de 55,744 psi usando M855 (promedio de 9 disparos). Hubo algunas variaciones entre rondas, con variaciones desde un mínimo de 52.500 psi hasta un máximo de 57.600 psi. Curiosamente, la variación de la presión entre rondas fue menos pronunciada en los puertos más distales. No tenemos las medidas de presión SAAMI para la presión de la recámara en la munición M855 de 5,56 x 45 mm, pero para el Remington .223 comercial, la presión SAAMI máxima promedio aparece en 55,000 psi.

Dado que estas armas se utilizan cada vez más frecuentemente con supresores de sonido, es interesante observar la presión de descorche en los cañones de longitud más común de 14,5 pulgadas y 10,5 pulgadas. Los datos de presión para los barriles de 14,5 y 10,5 pulgadas se aproximaron promediando la presión entre las dos medidas adyacentes (14 y 15 pulgadas, etc.), lo que arrojó presiones de 8.150 y 11.500 psi respectivamente. Hay un interés pasajero en el usuario no serio por suprimir el M16 con un cañón de 7 pulgadas, y la presión de descorche en ese punto es de 17.140 psi, aproximadamente un 50% más alta que para el cañón de 10,5 pulgadas, que en sí mismo es aproximadamente un 50% más alto que el cañón de 14,5 pulgadas.

Uno de los autores midió las presiones de los puertos en la cámara de entrada de uno de los supresores de 5,56 mm de su compañía con un HK416 con cañón de 14,5 y 10,5 pulgadas, y hubo un aumento del 50% en la presión de la cámara del supresor del arma con cañón de 10,5 pulgadas en comparación. a la versión más larga de 14,5 pulgadas. Esto se correlaciona bien con la diferencia en la presión del orificio en el momento del descorche de la bala.

La preparación del cañón consistió en marcar el cañón a intervalos de 1 pulgada con una herramienta de separación y perforar/roscar el puerto para el sensor. Todos menos el último puerto (donde se instaló el sensor de presión) se bloquearon con un tornillo de fijación hermético que se modificó para bloquear completamente el puerto.

La munición M855 está optimizada para un cañón de 20 pulgadas con un cañón giratorio de 1:7. No fue sorprendente que la mayor velocidad de 2979 pies/seg se obtuviera en el cañón de 20 pulgadas, y la menor velocidad en cañones de más de 20 pulgadas se explica por la disminución de la presión que impulsa la bala, que ya no excede la desaceleración por fricción. Después de todo, Eugene Stoner diseñó el cartucho para el cañón de 20 pulgadas.

El nivel de presión sonora se midió según Mil-Std 1474D, que especifica la ponderación A. La ponderación degrada el rendimiento del medidor para que coincida con la respuesta de frecuencia del oído humano, y la ponderación A es precisa y apropiada sólo para niveles de sonido inferiores a 55 dB. Para niveles de sonido superiores a 130 dB, y en particular en la región de 160+ dB del rifle de 5,56 mm sin supresión, las mediciones deben realizarse sin ninguna ponderación (también llamada “lineal” o ponderación Z, según la designación del fabricante del medidor). ). Si bien existe una correlación aproximada mediante la ponderación A entre la presión de descorche y el nivel de sonido medido, las mediciones de sonido no se consideran demasiado precisas debido al cumplimiento de Mil-Std.

Los niveles de sonido son medidas de presión expresadas como una relación logarítmica de la presión real referida a 20 micropascales, el umbral de la audición humana. Hubo un poco menos de consistencia en las mediciones de sonido que en las mediciones reales de presión del barril descorchado, en parte debido a la adición de varias variables más. Estos incluían la impedancia acústica del aire y la dirección/velocidad del viento. Además, las imprecisiones en este rango de intensidad de sonido al utilizar la ponderación A requerida introducen cierto nivel de imprecisión que probablemente no se vería en mediciones no ponderadas. Cuando la presión se representa en función del nivel de presión sonora en decibeles y el nivel de presión sonora en función de la longitud del cañón, hay una desviación ligeramente mayor del promedio proyectado, pero la tendencia y la correlación general son estadísticamente significativas. Los niveles reales de presión sonora variaron desde 162,5 dB(A) en el cañón de 24 pulgadas hasta 165,1 dB(A) en el cañón de 5 pulgadas.

Igualmente esclarecedora en este estudio fue la correlación entre la velocidad y la longitud del cañón (ver Gráfico 2). Para generar un canal de herida letal, el proyectil M855 debe tener una velocidad de al menos 2500 pies/seg al impactar con el objetivo. Por debajo de esa velocidad crítica, la bala M855 simplemente perfora un agujero de 1/4 de pulgada en el objetivo, que con demasiada frecuencia no es letal a menos que atraviese una estructura vital. Parte de esta limitación se está abordando con proyectiles más nuevos que no estaban disponibles para los autores en el momento del estudio. En los barriles más largos, la velocidad máxima de 2979 pies/seg fue en el barril de 20 pulgadas con una velocidad de aproximadamente 2700 pies/seg en el barril de 14,5 pulgadas. La velocidad crítica de 2.500 pies/seg estaba en un cañón de entre 9 y 10 pulgadas de largo, lo que muestra aún más la locura de considerar un cañón de 7 pulgadas para este cartucho.

El arma con el sensor de presión colocado se muestra en el soporte de la máquina. Delante de la boca están las pantallas para medir la velocidad y a la izquierda del arma está el micrófono para medir la presión sonora. El micrófono está ubicado a un metro a la izquierda de la boca del cañón en la ubicación de referencia mencionada en Mil-Std 1474.

Conclusión
Para satisfacer la curiosidad de los autores sobre los efectos de la longitud del cañón en las armas de la OTAN de 5,56 × 45, se diseñó un experimento para medir la presión real del orificio del cañón en el momento de la salida del proyectil, la velocidad y el nivel de presión sonora con un cañón. longitud que varía entre 24 y 5 pulgadas. Esto tiene practicidad en múltiples niveles.

Al considerar la supresión del sonido de este cartucho, se debe diseñar un supresor para manejar la presión de los gases presentados en el instante de la salida de la bala, y presiones de descorche más altas requieren un supresor más grande para manejar la carga de gas presentada. En estudios separados, los autores han observado que el gradiente de presión no es uniforme en toda la cámara de entrada de un supresor debido al movimiento hacia adelante de los gases. Esto indica que una cámara de entrada de mayor volumen necesita depender de una mayor longitud en lugar de un diámetro. Con presiones de descorche más altas, también hay una mayor erosión del deflector de explosión del supresor debido a las partículas de polvo sobrecalentadas y parcialmente quemadas que funcionan como una antorcha de plasma. Además, aumentar el diámetro requiere paredes más pesadas para evitar que aumente la tensión circular (y disminuya el factor de seguridad) con el resultado adicional de un supresor físicamente más pesado. Para intentar preservar el rendimiento de reducción de sonido, un supresor deberá ser más largo (y más pesado) con un cañón más corto, anulando la mayor parte de la compacidad obtenida al acortar el cañón.

En segundo lugar, con cañones más cortos, el ajuste del puerto de gas para el ciclo del arma se vuelve mucho más crítico. Agregar un supresor, que aumenta ligeramente la presión del calibre, dará como resultado un ciclo más errático y contundente del arma, lo que conducirá a una falla más temprana del arma. Es necesario recordar que el cartucho NATO de 5,56×45 fue diseñado específicamente para un cañón de 20 pulgadas en un arma operada por gas con un tiempo de permanencia de 7 pulgadas después del puerto de gas. El cañón M4 de 14,5 pulgadas conserva la longitud de permanencia de 7 pulgadas después del puerto de gas.

Por último, la disminución de la velocidad con cañones mucho más cortos que 14,5 pulgadas tiene una serie de efectos no deseados. Una velocidad lineal reducida produce una velocidad de rotación más baja, lo que dará como resultado una estabilidad giroscópica disminuida de la bala. También dará como resultado una energía cinética del proyectil significativamente menor, una menor capacidad para generar un canal significativo y alcanzará un punto de rendimiento decreciente en el que la letalidad del proyectil definitivamente entra en duda.

Así, en opinión de los autores, las longitudes de cañón inferiores a 14,5” en este calibre introducen problemas de eficacia que pueden resultar perjudiciales para el usuario.